王 嚴 鄒明恩 叢日振
(寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336)
發(fā)動機起停技術(shù)作為汽車節(jié)能減排的一項關(guān)鍵技術(shù),目前已得到普遍應(yīng)用。在紅燈、城市擁堵等情況下,發(fā)動機自動停止,處于上電待命狀態(tài);當(dāng)駕駛員有起動車輛的意圖時,發(fā)動機自動起動,有效提高了車輛在城市行駛過程中的燃油經(jīng)濟性。
節(jié)氣門分為機械節(jié)氣門和電子節(jié)氣門2 種,機械節(jié)氣門是通過拉索或者拉桿連接油門踏板和節(jié)氣門連動板,通過駕駛員踩油門踏板直接拉動節(jié)氣門連動板,控制連動板的開啟程度;電子節(jié)氣門是通過踏板及電子節(jié)氣門內(nèi)部的位置傳感器、電機和ECU來控制節(jié)氣門開度,從而精確控制進氣量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電子節(jié)氣門已取代機械節(jié)氣門[1]。電子節(jié)氣門是汽車發(fā)動機進氣管理系統(tǒng)的重要組成部分,發(fā)動機運行工況不同,需要的進氣量不同,電子節(jié)氣門開度也不同。如果電子節(jié)氣門響應(yīng)速度不能滿足工況需求,或者達不到期望的節(jié)氣門開度,會對發(fā)動機的動力性及排放性能產(chǎn)生嚴重影響[2]。
本文介紹了某車型在起停工況下出現(xiàn)節(jié)氣門“噠噠”異響故障,通過對節(jié)氣門硬件結(jié)構(gòu)、標(biāo)定策略等方面進行分析,對節(jié)氣門結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,最終解決了異響問題。
電子節(jié)氣門主要由蓋板(帶節(jié)氣門位置傳感器)、中間齒輪、閥片齒輪、復(fù)位彈簧、電機、閥片軸、閥片及殼體等零部件組成,如圖1 所示。電控系統(tǒng)指令控制直流電機動作,通過電機齒輪、中間齒輪、閥片齒輪之間的機械傳動,控制節(jié)氣門閥片開度[3]。
圖1 電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)示意圖
未通電狀態(tài)下,節(jié)氣門閥片處于跛行位置,即閥片未完全關(guān)閉而保留一定的縫隙。此位置確保發(fā)生故障時,發(fā)動機可獲得足夠的進氣量,以使車輛維持在低速“跛行/回家”模式。
某型號試驗車在進行原地靜態(tài)評價時,發(fā)動機前艙內(nèi)出現(xiàn)高頻率的“噠噠”異響,經(jīng)過聲源判斷,鎖定為節(jié)氣門內(nèi)部異響。異響發(fā)生時,車輛處于起停工況的停機狀態(tài),發(fā)動機為上電待機狀態(tài)。使用診斷儀采集節(jié)氣門異響時的ECU 數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)ECU 設(shè)定節(jié)氣門目標(biāo)開度為10%,而實際開度波動且波動頻率較快,如圖2 所示,基本可以確定異響由節(jié)氣門閥片運動產(chǎn)生。
圖2 節(jié)氣門開度波動情況
對異響故障進一步排查:
1)退出待機狀態(tài),發(fā)動機起動狀態(tài)下,異響消失;
2)待機狀態(tài)下,調(diào)整節(jié)氣門目標(biāo)開度為8%~12%,發(fā)現(xiàn)異響僅在節(jié)氣門目標(biāo)開度為9.6%~10.7%的區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生,同時節(jié)氣門實際開度頻繁波動;
3)更換為1、2、3 號新節(jié)氣門,使發(fā)動機處于待機狀態(tài),發(fā)現(xiàn)1 號節(jié)氣門異響,2、3 號節(jié)氣門無異響。同樣調(diào)整節(jié)氣門目標(biāo)開度為8%~12%,發(fā)現(xiàn)1 號節(jié)氣門異響發(fā)生在節(jié)氣門目標(biāo)開度為9.8%~10.4%的區(qū)間內(nèi),同時節(jié)氣門實際開度頻繁波動。
通過以上排查過程可得出:異響與節(jié)氣門目標(biāo)開度、節(jié)氣門硬件相關(guān)。
3.1.1 節(jié)氣門性能檢查
對故障節(jié)氣門進行單體性能檢測,在節(jié)氣門跛行位置,閥片有自由旋轉(zhuǎn)角度,存在2 個極限位置,如圖3 所示。使用測量設(shè)備檢測跛行位置的電壓,2個極限位置的電壓波動分別為0.03 V、0.04 V。按照節(jié)氣門設(shè)計要求,跛行位置的電壓波動≤0.01 V。故障節(jié)氣門存在較大間隙,導(dǎo)致跛行位置閥片產(chǎn)生空行程。
圖3 跛行位置自由旋轉(zhuǎn)角度
3.1.2 跛行位置空行程產(chǎn)生原理
圖4 為閥片齒輪、復(fù)位彈簧、殼體裝配。復(fù)位彈簧裝配至閥片齒輪,通過掛臂與齒輪限位配合,實現(xiàn)閥片與齒輪之間的復(fù)位功能;同時彈簧掛臂裝配至殼體限位,實現(xiàn)閥片與殼體之間的復(fù)位及定位,自然狀態(tài)下即為跛行位置。因此,節(jié)氣門跛行位置由閥片齒輪限位、復(fù)位彈簧、殼體限位3 個零件(見圖4a)的尺寸配合決定。當(dāng)彈簧掛臂與殼體限位之間存在間隙(見圖4b)時,跛行位置閥片會產(chǎn)生空行程。
圖4 閥片齒輪、復(fù)位彈簧、殼體裝配
3.1.3 節(jié)氣門尺寸檢查
通過對閥片齒輪限位、殼體限位尺寸進行分析可知,2 限位尺寸及公差帶完全相同,在極限狀態(tài)下,當(dāng)閥片齒輪限位尺寸處于上公差帶、殼體限位尺寸處于下公差帶時,彈簧掛臂與殼體限位之間會存在間隙,如圖5 所示。
圖5 極限公差配合下存在間隙
3.1.4 節(jié)氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化
為了消除配合尺寸公差,需優(yōu)化彈簧襯套、閥片齒輪限位、殼體限位結(jié)構(gòu)。
1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化1。取消閥片齒輪限位,在彈簧兩側(cè)襯套上增加掛臂卡槽,如圖6 所示。
圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化1
2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化2。在殼體上增加調(diào)節(jié)螺釘,用于消除配合間隙,如圖7 所示。
圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化2
圖8 為優(yōu)化后閥片齒輪、復(fù)位彈簧、殼體裝配。裝配時,彈簧掛臂卡槽分別掛在殼體限位、調(diào)節(jié)螺釘。裝配完成后,通過自動設(shè)備調(diào)整螺釘,消除配合間隙。同時檢測節(jié)氣門位置電壓,保證電壓滿足設(shè)計要求及輸出一致性要求。
圖8 優(yōu)化后閥片齒輪、復(fù)位彈簧、殼體裝配
設(shè)計節(jié)氣門時,將跛行位置設(shè)定在節(jié)氣門開度為10%,此時,節(jié)氣門回位彈簧受力最小。標(biāo)定策略將發(fā)動機待機狀態(tài)節(jié)氣門目標(biāo)開度設(shè)置為10%,一定程度上可增加節(jié)氣門的耐久性。
通過對故障節(jié)氣門硬件進行檢查,確定在跛行位置存在空行程。當(dāng)節(jié)氣門目標(biāo)開度在空行程范圍內(nèi)時,PID 控制系統(tǒng)無法調(diào)節(jié)節(jié)氣門閥片開度,從而無法使之穩(wěn)定至目標(biāo)開度,進而導(dǎo)致節(jié)氣門開度波動。因此,標(biāo)定策略不是導(dǎo)致異響的根本原因。
將優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的節(jié)氣門樣件進行實車測試,結(jié)果表明,發(fā)動機待機狀態(tài)無異響。圖9 所示為優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的測試結(jié)果。
從圖9 可以看出,跛行位置節(jié)氣門開度無波動。
圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的測試結(jié)果
通過對節(jié)氣門硬件結(jié)構(gòu)、標(biāo)定策略等方面進行分析,確定異響的根源在于節(jié)氣門設(shè)計缺陷。對節(jié)氣門結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,消除了尺寸公差導(dǎo)致的空行程,最終解決了異響問題,為節(jié)氣門設(shè)計開發(fā)提供了參考。